نقشه برداری هوایی

بخش اول : پرواز و تصویربرداری هوایی

در بخش اول، به مباحث مربوط به پرواز و نکات مهم تصویربرداری هوایی می‌پردازیم. این بخش شامل دو قسمت است: در قسمت اول ویژگی‌های لازم برای یک پهپاد مناسب برای نقشه‌برداری بررسی می‌شود و در قسمت دوم نکات مرتبط با دوربین‌های تصویربرداری مورد بحث قرار می‌گیرد.

قطعات و ساختار پهپادهای فتوگرامتری

پهپادهای فتوگرامتری که برای نقشه‌برداری استفاده می‌شوند، به طور کلی به دو نوع عمودپروازها و هواپیماهای بال‌ثابت تقسیم می‌شوند. هرکدام از این دو نوع پهپاد، مزایا و معایب خاص خود را دارند که برای انتخاب درست باید ویژگی‌های هر یک به‌خوبی شناخته شوند.

1. عمودپروازها (مولتی‌روتور):
پهپادهای عمودپرواز معمولاً با حداقل چهار موتور طراحی می‌شوند که به آن‌ها “کوادکوپتر” می‌گویند. مدل‌های دیگری نیز وجود دارند که دارای شش، هشت یا حتی بیشتر موتور هستند و می‌توانند وزن بیشتری را حمل کنند. پهپادهای چندموتوره به دلیل توانایی پرواز پایدار در ارتفاعات کم و امکان مانور آسان، برای تصویربرداری دقیق در نقشه‌برداری هوایی بسیار مناسب هستند. معمولاً پهپادهایی که در ایران برای نقشه‌برداری استفاده می‌شوند، یا از خارج وارد شده و مونتاژ می‌شوند یا به صورت پک آماده وارد کشور می‌شوند. توصیه می‌شود برای کاربردهای نقشه‌برداری، از پهپادهای آماده‌ و پک‌شده استفاده شود.

2. هواپیماهای بال‌ثابت:
هواپیماهای بال‌ثابت برخلاف عمودپروازها، به دلیل طراحی آیرودینامیک خود می‌توانند مسافت‌های طولانی‌تری را طی کنند و برای نقشه‌برداری از مناطق بزرگ بسیار مناسب هستند. این پهپادها به‌خاطر بهره‌وری انرژی و توانایی پرواز در مسافت‌های طولانی، انتخاب مناسبی برای نقشه‌برداری در مناطق وسیع هستند.

پس از انتخاب و تهیه پهپاد مناسب که در ادامه به آنن خواهیم پرداخت ، یکی از مراحل کلیدی در نقشه برداری با پهپاد، طراحی مسیر پرواز یا همان “رن‌های پروازی” است. این مرحله اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا برای ثبت تصاویر منظم و کارآمد از منطقه مورد نظر، باید مسیر پرواز دقیق و اصولی طراحی شود. علاوه بر آشنایی با قطعات و ساختار پهپاد، تسلط بر نرم‌افزارهای طراحی مسیر پرواز و برنامه‌ریزی دقیق حرکت پهپاد نیز از ملزومات این کار است.

نرم‌افزارهای طراحی مسیر پرواز

در حال حاضر، اپلیکیشن‌های متعددی برای طراحی مسیرهای پروازی و کنترل پهپاد در دسترس هستند که این فرایند را آسان‌تر و دقیق‌تر کرده‌اند. با ورود پهپادهایی مانند فانتوم ۴ پرو، که با اپلیکیشن‌های گوناگون سازگار هستند، کاربری و کنترل پهپادها برای تصویربرداری هوایی ساده‌تر شده است. از جمله اپلیکیشن‌های محبوب برای طراحی مسیر پرواز و کنترل پهپاد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• Pix4Dcapture: یک نرم‌افزار قدرتمند و محبوب برای طراحی مسیرهای پروازی و ثبت تصاویر هوایی دقیق. این نرم‌افزار امکان تنظیمات پیشرفته‌ای همچون ارتفاع پرواز، میزان همپوشانی تصاویر و سرعت حرکت پهپاد را فراهم می‌کند.

• DroneDeploy: این اپلیکیشن برای برنامه‌ریزی خودکار پروازها و تصویربرداری دقیق طراحی شده و به کاربران اجازه می‌دهد تا مسیرهای پیچیده‌ای را برای ثبت داده‌های نقشه‌برداری هوایی تنظیم کنند.

• GS Pro: محصولی از شرکت DJI که مخصوص پهپادهای این برند طراحی شده است. GS Pro به کاربران امکان می‌دهد تا مسیرهای پرواز دقیق و اتوماتیک را برای نقشه‌برداری‌های پیچیده تنظیم کنند.

این نرم‌افزارها با ویژگی‌هایی همچون نقشه‌برداری خودکار، امکان همپوشانی تنظیمات مختلف و قابلیت‌های انعطاف‌پذیر، به کاربران کمک می‌کنند تا با دقت بالا و در کوتاه‌ترین زمان، داده‌های هوایی با کیفیتی را ثبت و برای پردازش‌های فتوگرامتری آماده کنند.

پس از اتمام تصویربرداری، مرحله بعدی پردازش تصاویر و تولید نقشه‌های مورد نیاز است. همان‌طور که اشاره شد، پیشرفت در نرم‌افزارهای پردازش خودکار تصاویر انقلابی در فتوگرامتری ایجاد کرده و روند تهیه نقشه‌ها را بسیار کارآمدتر نموده است.

به دلیل تعداد بالای تصاویر گرفته‌شده توسط پهپاد در مقایسه با فتوگرامتری هوایی سنتی، استفاده از نرم‌افزارهای مخصوص پهپاد برای پردازش تصاویر بسیار به‌صرفه‌تر است. روند کلی پردازش تصاویر برای تهیه نقشه در این سیستم به شرح زیر است:

مراحل پردازش تصاویر در نقشه برداری با پهپاد

1. بررسی و فیلتر کردن تصاویر نامناسب
   پس از جمع‌آوری تصاویر، ابتدا باید بررسی اجمالی از نظر کیفیت و زوایا انجام شود. تصاویر با وضوح پایین، کشیدگی، یا لرزش که ممکن است بر روی نتایج نهایی اثر منفی بگذارند، بهتر است از فرآیند حذف شوند.

2. پردازش اتوماتیک تصاویر و تولید محصولات مختلف
   پس از انتخاب تصاویر مناسب، آنها وارد نرم‌افزار شده و فرایند پردازش به‌طور نیمه‌اتوماتیک آغاز می‌شود. این پردازش مراحل مختلفی دارد، از جمله:

   • وارد کردن تصاویر و بررسی کیفیت: تصاویر در نرم‌افزار بارگذاری می‌شوند و از نظر کیفیت بررسی می‌شوند.
   • توجیه نسبی اتوماتیک: همپوشانی و تنظیم موقعیت تصاویر به‌صورت خودکار انجام می‌شود تا مدل اولیه تشکیل شود.
   • معرفی نقاط کنترل: نقاط کنترل زمینی معرفی و در مدل اعمال می‌شوند تا دقت آن افزایش یابد.
   • تولید ابرنقاط متراکم: یک مجموعه داده سه‌بعدی متراکم از منطقه تشکیل می‌شود.
   • ویرایش ابرنقاط: ابرنقاط بررسی و بهینه‌سازی می‌شوند.
   • تولید سطح یا مش (Mesh): مدل سه‌بعدی سطح منطقه ایجاد می‌شود.
   • پروجکت نمودن بافت منطقه: بافت واقعی منطقه روی مدل سطحی اعمال می‌شود.
   • تولید ارتوفتو و DEM: تصاویر ارتوفتو و مدل‌های ارتفاعی دیجیتال (DEM) تولید می‌شوند.
   • ایجاد منحنی‌های میزان: منحنی‌های ارتفاعی برای نمایش تغییرات ارتفاع سطح تولید می‌شوند.

3. استفاده از سیستم‌های کامپیوتری قوی
   پردازش تصاویر پهپادی به دلیل نیاز به محاسبات سنگین به سیستم‌های قوی نیاز دارد. کامپیوترهای شخصی (PC) با CPU و RAM قوی توصیه می‌شوند، زیرا این سیستم‌ها دارای قابلیت خنک‌سازی بهتری هستند و برای پردازش طولانی‌مدت کارایی بالاتری نسبت به لپ‌تاپ دارند. برای شروع، RAM با ظرفیت ۶ یا ۸ گیگابایت کافی است، اما برای پروژه‌های بزرگ‌تر بهتر است از سیستم‌هایی با RAM بالاتر استفاده شود.

4. ویرایش‌های نهایی و تبدیل به نقشه‌های استاندارد
   محصولات خروجی از سیستم پهپاد، مانند ابرنقاط متراکم یا ارتوفتو، ممکن است به صورت مستقیم قابل استفاده نباشند و نیاز به ویرایش داشته باشند تا به نقشه‌های استاندارد تبدیل شوند. برای مثال:

   • کاهش حجم ابرنقاط متراکم: کاهش حجم داده‌های ابرنقاط و استفاده از آنها برای تولید منحنی‌های میزان در نرم‌افزارهای CAD مانند Civil 3D.
   • ترسیمات مسطحاتی از ارتوفتو: از تصاویر ارتوفتو می‌توان برای انجام ترسیمات دقیق مسطحاتی و تولید نقشه‌های کامل استفاده کرد.

این مراحل نهایی به نقشه‌برداران امکان می‌دهد که محصولات نهایی را برای استفاده در پروژه‌های عمرانی، معماری، کشاورزی و دیگر زمینه‌های کاربردی به‌طور موثر آماده کنند.

در این بخش، مراحل اصلی اجرای یک پروژه نقشه‌برداری هوایی با پهپاد به صورت گام به گام توضیح داده شده است. این مراحل از بررسی منطقه شروع شده و تا تصویربرداری و پردازش تصاویر برای تهیه نقشه ادامه دارد.

۱. بررسی منطقه و تعیین پارامترهای پروازی

اولین قدم در نقشه‌برداری هوایی، آگاهی از ویژگی‌های کلی منطقه مورد نظر است. این اطلاعات شامل وسعت، نوع منطقه (مانند شهری، غیرشهری، دشت، تپه‌ماهور، یا کوهستان)، موانع موجود، مقیاس مورد نیاز و شرایط جغرافیایی است. این داده‌ها به شما کمک می‌کند تا پارامترهای پروازی مانند ارتفاع پرواز، تعداد پروازهای لازم، میزان همپوشانی طولی و عرضی تصاویر و سایر جزئیات را تعیین کنید.

۲. ایجاد نقاط کنترل زمینی و طراحی رن‌های تصویربرداری

برای افزایش دقت مدلسازی و ژئورفرنس کردن مدل سه‌بعدی، نیاز به ایجاد نقاط کنترل زمینی در منطقه دارید. این نقاط به عنوان مرجع عمل می‌کنند و به پهپاد امکان می‌دهند تا مختصات دقیق تصاویر را برای تطابق بهتر در سیستم مختصات جهانی به دست آورد. برخلاف بنچ‌مارک‌های سنتی، می‌توانید از نقاط شطرنجی یا نشان‌گذاری‌های رنگی به عنوان نقاط کنترل استفاده کنید. تعداد و پراکندگی نقاط کنترل به وسعت و نوع منطقه بستگی دارد.

۳. طراحی رن‌های تصویربرداری

پس از ایجاد نقاط کنترل، باید مسیر پرواز پهپاد را طراحی کنید تا بتوانید به پوشش کامل منطقه با تصاویر با کیفیت و همپوشانی مناسب دست یابید. هنگام طراحی رن‌های تصویربرداری باید به نکات زیر توجه کنید:

• وسعت و شکل منطقه: این عامل، محدوده پرواز و تعداد مسیرها را مشخص می‌کند.
• پستی و بلندی منطقه: عوارض طبیعی مانند تپه‌ها و دره‌ها ممکن است بر ارتفاع پرواز تاثیر بگذارند.
• مدت زمان پرواز پهپاد در هر پرواز: مدت زمان هر پرواز به ظرفیت باتری و میزان فاصله از کنترلر بستگی دارد.
• قابلیت پهپاد در دور شدن از کنترلر: میزان دورشدن پهپاد از کنترلر باید در نظر گرفته شود تا ارتباط به‌طور پایدار حفظ شود.
• توانایی پهپاد در پرواز در ارتفاع‌های مختلف: برخی مناطق نیازمند پرواز در ارتفاع‌های متغیر هستند که باید در مسیر پرواز در نظر گرفته شود.

۴. اجرای پرواز و تصویربرداری هوایی

با طراحی مسیر پرواز و تنظیم نقاط کنترل، پهپاد برای انجام پرواز آماده است. در طول پرواز، پهپاد به صورت خودکار مسیرهای تعیین‌شده را طی می‌کند و تصاویری با همپوشانی مناسب ثبت می‌کند. اپلیکیشن‌هایی مانند Pix4Dcapture، DroneDeploy و GS Pro می‌توانند این روند را مدیریت کنند.

۵. پردازش تصاویر و تولید نقشه

پس از اتمام تصویربرداری، تصاویر به نرم‌افزار پردازش وارد می‌شوند و مراحل زیر اجرا می‌شود:

• بازبینی اولیه تصاویر: کیفیت و زوایای تصاویر بررسی و تصاویر نامناسب حذف می‌شوند.
• توجیه نسبی تصاویر: تنظیمات مربوط به همپوشانی و توجیه اولیه تصاویر انجام می‌شود.
• تثبیت نقاط کنترل زمینی: نقاط کنترل در نرم‌افزار معرفی و اثر آنها بر مدل سه‌بعدی اعمال می‌شود.
• تولید ابرنقاط متراکم: این نقاط پایه اصلی مدل سه‌بعدی هستند.
• تولید مدل سطحی و مش (Mesh): مدل سطحی با استفاده از ابرنقاط ایجاد می‌شود.
• پروجکت کردن بافت واقعی: بافت منطقه بر روی مدل سطحی اعمال می‌شود.
• تولید ارتوفتو و مدل ارتفاعی دیجیتال (DEM): تصاویر ارتوفتو و DEM تولید می‌شوند که برای نقشه‌های توپوگرافی استفاده می‌شوند.
• ایجاد منحنی‌های میزان: خطوط ارتفاعی و منحنی‌های میزان برای نمایش دقیق تغییرات سطح زمین ایجاد می‌شوند.

۶. ویرایش‌های نهایی و تبدیل به نقشه‌های استاندارد

محصولات به دست آمده، مانند ابرنقاط متراکم و ارتوفتو، ممکن است نیاز به ویرایش نهایی داشته باشند. برای مثال:

• کاهش حجم ابرنقاط متراکم: به منظور استفاده از آنها در نرم‌افزارهای CAD مثل Civil 3D برای ایجاد منحنی‌های میزان.
• ترسیمات مسطحاتی از ارتوفتو: می‌توانید از ارتوفتو برای ترسیم نقشه‌های دقیق مسطحاتی استفاده کنید و یک نقشه کامل تولید نمایید.

این مراحل در مجموع به نقشه‌برداران کمک می‌کند تا نقشه‌های دقیق و استاندارد را برای پروژه‌های عمرانی، مدیریت زمین و سایر کاربردهای فنی تهیه کنند.